3상 모터 드라이브 설계의 신속한 평가를 위한 유연한 플랫폼

전기 모터와 모터 드라이브는 오늘날 전체 전기 소비량 중 상당 부분을 차지합니다. 미국 에너지부(DoE)는 전기 모터 드라이브 시스템이 미국에서 생산되는 전체 전기의 절반 이상을 소비한다고 추정합니다^[1]. 또한 DoE는 전기 비용이 모터의 총 수명 주기 비용 중 약 96%를 차지한다고 추정했습니다^[2]. 따라서 모터와 드라이브의 효율을 높이면 전체 설치 수명 기간 동안 상당한 비용을 절감할 수 있습니다.

환경적 목표를 달성하고 배기가스 배출량을 줄이기 위해 전 세계 정부는 전기 모터 효율 향상을 의무화하는 법안을 도입하고 있습니다. 이미 모터 효율이 크게 개선됨에 따라 EU와 같은 일부 기관에서는 모터만이 아니라 모터 드라이브 시스템의 효율까지 목표로 삼기 시작했습니다. 실리콘 카바이드(SiC)는 드라이브가 모터 하우징에 패키징되어 있는 시스템에서 전력 손실과 냉각 요구 사항이 감소하기 때문에 상당한 이점을 제공합니다.

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실리콘 카바이드(SiC)의 장점

가용한 솔루션은 이미 출시되어 있습니다: 바로 실리콘 카바이드(SiC)로 만든 MOSFET입니다. SiC MOSFET은 열 저항이 3배 더 낮고 열을 더 효과적으로 분산시킬 뿐만 아니라, 특히 부분 부하 조건에서 실리콘 IGBT에 비해 전도 손실과 스위칭 손실이 더 낮습니다. 많은 모터 드라이브 시스템은 수명의 대부분을 최대 부하 이하에서 작동하므로 SiC를 사용하면 효율이 크게 향상됩니다.

인버터 효율 개선 외에도, SiC는 드라이브 시스템의 역률 보정(PFC) 회로를 개선할 수 있습니다. 부스트 PFC 또는 완전 양방향 PFC를 통합하고 있는 모터 드라이브는 스위칭 주파수를 높여 필터 자성의 크기를 줄임으로써 SiC의 이점을 누릴 수 있습니다. 이렇게 모터 드라이브의 크기를 줄이면 궁극적으로 더 작고 비용 효율적인 시스템 개발이 가능해집니다.

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평가를 위한 유연한 플랫폼

울프스피드(Wolfspeed)는 엔지니어의 SiC 디바이스 평가 프로세스를 지원하기 위해 SpeedVal™ 키트 모듈식 평가 플랫폼을 설계했습니다. 이 플랫폼의 독창적인 카드-엣지 연결을 통해 사용자는 SiC 디바이스를 변경하여 다양한 부품들의 조합을 테스트하는 동시에 DC 버스에 대한 낮은 인덕턴스 연결을 유지할 수 있으므로, 기존에 몇 주가 걸리던 테스트를 불과 몇 분 안에 완료할 수 있습니다. 교체 가능한 보드로는 전원, 제어, 액세서리 및 게이트 드라이버의 네 가지 유형이 있습니다. 이렇게 쉽게 사용자 정의가 가능하기 때문에 최종 애플리케이션을 정확하게 표현하는 데 도움이 됩니다.

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이 플랫폼은 3상 모터 드라이브의 평가를 위해 설계되었지만 하프 브리지 버전에도 활용할 수 있습니다. 이 3상 보드는 두 개의 추가적인 채널과 함께 폐쇄 루프 설계 및 속도 제어를 위한 인코더 및 리졸버 피드백 등 모터 드라이브 개발을 위한 기능을 명시적으로 제공합니다. 시스템 인터페이스 옵션으로 CAN(controller area network) 통신 인터페이스도 추가적으로 제공합니다.

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또한 이 키트는 650V~1200V 범위의 제품을 포함한 울프스피드의 디스크리트 SiC MOSFET 포트폴리오를 평가하도록 설계되었으며, 각 MOSFET 모델들과 패키지 옵션들마다 각각의 보드가 제공됩니다. 이는 최대 900V의 DC 버스 전압으로 작동하고 40A의 입력 및 출력 전류를 처리할 수 있으며 총 전력 30kW 이상의 모터 드라이브 및 기타 애플리케이션을 테스트할 수 있습니다. SpeedVal 플랫폼을 위한 업계 선도적인 제조사들의 게이트 드라이버 보드는 다양한 사양을 제공하므로, 설계자는 애플리케이션에 적합한 게이트 드라이브를 선택하고 게이트 파라미터를 조정하고 MOSFET이 안전 작동 영역(safe operation area, SOA) 내에서 작동하는지 확인하여 최적화할 수 있습니다. 모터에 적합한 dv/dt를 달성하도록 스위칭 동작을 조정할 수도 있습니다. 이는 모터 드라이브 설계에서 필수적인 단계로, 많은 모터가 IGBT 드라이브용으로 설계되었으며, 스위칭 엣지의 속도를 모터와 일치시켜 시스템 안정성을 보장하기 때문입니다.

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SpeedVal 키트의 제어 보드에는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 게이트 드라이버에 전달하는 마이크로컨트롤러(MCU)가 포함되어 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 실제 애플리케이션 소프트웨어로 하드웨어 평가를 수행할 수 있습니다. 함수 생성기를 사용하여 게이트에 제어 신호를 공급할 수도 있습니다. 이 제어 카드에는 사전 테스트를 거친 펌웨어와 컴퓨터 기반 GUI가 있어 컨트롤러 보드가 이중 펄스 테스트를 수행하고, 3상 모터를 실행하고, 기타 작업을 수행할 수 있습니다. 제어 카드와 GUI는 입력 및 출력 전압과 전류 판독값에 대한 시스템 수준의 세부 정보도 제공합니다.

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평가 절차는 종종 해당 모터 설계의 1개의 상(single phase)에 대한 테스트부터 시작하며, 각각의 상은 별도의 전기 회로를 나타냅니다. 1개의 상을 먼저 테스트하면 전압 조정, 효율 및 열 성능과 같은 성능 메트릭을 검증할 수 있습니다. 단상 성능이 기대치를 충족하면 나머지 상들을 추가할 수 있습니다. 게이트 드라이버 최적화 및 고전력 테스트 과정들이 성공적으로 완료되면 설계 엔지니어는 해당 부품과 설계가 요구되는 사양을 충족한다는 것을 확인함으로써, 회로 배치를 자신 있게 진행할 수 있습니다.

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점점 더 널리 사용되는 SiC

산업 애플리케이션과 다양한 교통 수단들이 갈수록 전동화됨에 따라, 이러한 애플리케이션의 중요한 요구 사항인 효율과 열 성능이 개선된 SiC 제품은 더욱 인기를 얻게 될 것입니다. 모터 드라이브는 SiC 고유의 장점이 부각될 수 있는 여러 분야 중 하나일 뿐입니다. 전기차(EV) 충전 및 재생 에너지 발전과 같은 다른 고전력 애플리케이션의 설계 엔지니어들도 보다 효율적인 설계와 에너지 비용 절감을 모색하고 있습니다. SpeedVal 키트 모듈식 평가 플랫폼은 이러한 애플리케이션을 비롯하여 다른 많은 고전력 3상 활용 사례를 평가할 수 있는 유연성을 제공합니다(그림 1).

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SpeedVal 키트 모듈식 평가 플랫폼을 사용하면 SiC MOSFET 및 게이트 드라이브 회로의 전기 및 열 성능을 신속하게 평가할 수 있습니다. 또한 선택한 디바이스를 타깃 애플리케이션의 특정 요구 사항을 충족하도록 조정할 수 있습니다. 사용자가 적절한 제품을 선택하고 시스템 사양을 세분화하는 데 도움이 되는 SpeedFit™ 디자인 시뮬레이터 소프트웨어를 비롯한 울프스피드의 제품은 SpeedVal 플랫폼 외에도 많습니다. 유연성과 효율은 SiC 평가의 핵심이므로, 울프스피드는 기생 간섭을 방지하는 PCB 레이아웃 가이드를 포함한 포괄적인 문서와 함께 다양한 레퍼런스 디자인을 제공하여 설계자가 개발 프로세스를 더욱 원활하게 진행할 수 있도록 지원하고 있습니다.

출처

[1] https://www.energy.gov/eere/amo/articles/optimizing-your-motor-driven-system
[2] https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_assistance/pdfs/motor.pdf.